超長、超大基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)安全影響的數(shù)值模擬分析

丁 毅，邢艷如

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

超長、超大基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)安全影響的數(shù)值模擬分析

丁 毅，邢艷如

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

為了研究超長、超大基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)安全影響，以西安地鐵2號(hào)線周邊某基坑為工程實(shí)例，通過運(yùn)用數(shù)值分析軟件，結(jié)合場地的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，進(jìn)行施工過程的動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，經(jīng)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表明運(yùn)用PLAXIS軟件能有效的模擬基坑開挖過程中的土體變形。同時(shí)工程采用的分段、分塊開挖，中心島順做，周邊預(yù)留土臺(tái)反壓、使用旋噴錨索的支護(hù)方案，對(duì)復(fù)雜條件下基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響能起到有效的控制作用，可對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有益的參考及借鑒。

超長超大基坑；中心島法；旋噴錨索；數(shù)值分析

當(dāng)前，地面交通壓力持續(xù)增加，全國城市軌道建設(shè)正在如火如荼開展中，以西安為例，地鐵1、2、3號(hào)線已經(jīng)通車運(yùn)營。而隨著地鐵線路分布的越來越廣，帶動(dòng)周邊房地產(chǎn)開發(fā)熱潮[1]，大型基坑在既有地鐵周邊開挖的現(xiàn)象逐漸增多?；娱_挖卸載會(huì)影響周邊土體的應(yīng)力變化，進(jìn)而引起地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生水平變形和不均勻沉降，對(duì)乘客的安全和地鐵正常運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]。為了保護(hù)城市軌道交通的結(jié)構(gòu)，降低外部作業(yè)對(duì)其造成不利影響，規(guī)范要求地鐵沉降量、水平位移量<20 mm；縱向變形曲線的曲率半徑控制值R>15 000 m；相對(duì)變曲控制值<1/2500[3]。

目前針對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多的研究，得到大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出一定的變形規(guī)律[4-5]，并對(duì)鄰近地鐵的基坑設(shè)計(jì)重點(diǎn)分析[6]。但在黃土地區(qū)，超長、超大基坑開挖對(duì)周邊地鐵結(jié)構(gòu)的影響研究較少，在此條件下，如何確定支護(hù)及開挖方案、保證地鐵的安全，具有較高的研究價(jià)值。

本文以西安地鐵2號(hào)線周邊一超長、超大基坑為背景，充分考慮土體開挖的時(shí)空效應(yīng)，制定了基坑分段、分塊開挖、中心島順作、周邊預(yù)留土堆反壓的支護(hù)方案。同時(shí)運(yùn)用數(shù)值分析軟件，結(jié)合實(shí)際場地的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，進(jìn)行施工過程的動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)西安地區(qū)類似的基坑工程設(shè)計(jì)和施工起到一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目基坑南北長約640 m，東西最大寬度240 m，占地面積88 200 m2，規(guī)劃建筑面積近100×104m2，是集購物、餐飲、娛樂、辦公、公寓和住宅等多種業(yè)態(tài)為一體的綜合開發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目自北向南劃分為基坑A、基坑B，基坑C三個(gè)子基坑，大部深約20 m。

基坑A毗鄰地鐵礦山法隧道與盾構(gòu)區(qū)間，與礦山法隧道最小凈距約為21.4 m，基坑C靠近地鐵車站、附屬結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)隧道。與車站主體最小凈距約14.6 m，與附屬結(jié)構(gòu)最小凈距約1.7 m，與盾構(gòu)隧道最小凈距約9.2 m?；覤處于基坑A與基坑C之間，如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)概況

1.3 支護(hù)方案總體思路

如此大規(guī)模基坑開挖卸載會(huì)導(dǎo)致基底隆起和側(cè)向變形，從而引起已運(yùn)營的地鐵結(jié)構(gòu)也發(fā)生變形。目前國內(nèi)已有部分建(構(gòu))筑物施工造成鄰近地鐵結(jié)構(gòu)安全影響的案例[7]。

本基坑長度過大，實(shí)踐證明，利用基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)，將長大基坑分塊、分層開挖可以控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形[8]；而采用中心島支護(hù)，預(yù)留土堆的開挖方案已經(jīng)被多個(gè)工程利用控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，并取得較為理想的效果[9]。

本項(xiàng)目基坑A離著地鐵隧道較遠(yuǎn)，擬采用樁+多道錨索支護(hù)；基坑B寬度較窄，可考慮采用排樁+多道內(nèi)支撐支護(hù)；基坑C采用中心島支護(hù)，先施工東側(cè)地下室結(jié)構(gòu)，然后順作開挖西側(cè)土體，采用排樁+多道內(nèi)支撐支護(hù)。

如何合理有效的制定開挖分塊的大小、預(yù)留土堆的范圍以及錨索支護(hù)的參數(shù)是本方案支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。支護(hù)方案總體思路見圖2。

圖2 支護(hù)總體思路圖

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算軟件及土體模型

利用巖土有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬是比較常見的分析手段[10]。首先來確定本工程的關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)，再得到基坑開挖后的地鐵結(jié)構(gòu)變形情況。

三維模型計(jì)算采用FLAC3D，土體采用了廣義摩爾-庫侖模型。有限差分法軟件中的摩爾-庫侖本構(gòu)模型屈服破壞面包含拉伸破壞和壓剪破壞兩部分，當(dāng)壓縮破壞時(shí)，滿足非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則；當(dāng)拉伸破壞時(shí)，滿足相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則[11]。

二維細(xì)部模型采用PLAXIS 2D中經(jīng)典的硬化土體本構(gòu)模型。硬化塑性模型的屈服面在主應(yīng)力空間中不是固定的，而是由于塑性應(yīng)變的發(fā)生而膨脹。該模型可同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，這兩種類型的硬化都包括在當(dāng)前的模型之中。硬化土體模型很好的模擬了在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時(shí)產(chǎn)生了不可逆的塑性應(yīng)變[12]。

2.2 數(shù)值模型與參數(shù)確定

數(shù)值計(jì)算模型大小按如下原則選取：既有地鐵結(jié)構(gòu)以西，取基坑開挖邊界以外2倍開挖深度；由于基坑范圍較大，只對(duì)有可能對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成影響區(qū)域外擴(kuò)2倍基坑深度范圍進(jìn)行建模；沿深度方向，取基坑底2倍開挖深度。地鐵結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，取相應(yīng)標(biāo)號(hào)混凝土，密度為25 g/cm3。采用錨桿單元及Embedded樁單元分別模擬錨索的自由段及錨固段，錨桿單元根據(jù)鋼絞線面積得出實(shí)際的EA；Embedded樁單元樁徑取鉆孔孔徑，摩阻力按照地勘報(bào)告輸入，錨固段彈性模量E取值1.8×104N/mm2。對(duì)本項(xiàng)目先施工結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用彈性板、梁單元模擬，采用界面單元來模擬本項(xiàng)目支護(hù)樁與土體的摩擦作用。

表1 土體材料參數(shù)(硬化土體模型)

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)研究

3.1 超長基坑分段開挖研究

在我國沿海軟土地區(qū)，在工程實(shí)踐及科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)土的工程性質(zhì)與時(shí)間和空間存在密切的關(guān)系。通過有目的的將一個(gè)長大基坑分為多段、多層開挖(見圖3)，及時(shí)支護(hù)，能夠有效地控制周邊地層的變形[13]。

在黃土地層，類似的研究很少，本項(xiàng)目基坑長達(dá)640 m，利用三維數(shù)值軟件來模擬分塊長度分別為60 m、45 m、30 m、20 m的情況下，鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的最大水平位移變化情況。豎向開挖每層厚度均為2 m。

圖3 基坑分塊開挖示意

利用三維有限元軟件FLAC3D來動(dòng)態(tài)模擬分段開挖的施工過程，每一段基坑及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖4)。

圖4 三維模型及位移云圖結(jié)果

不同分段長度下，地鐵結(jié)構(gòu)的最大水平位移如圖5所示。

圖5 基坑分段地鐵變形結(jié)果

由于地鐵車站主體的自身抗側(cè)向剛度很大，不同分段長度下，其水平變形變化很小。礦山法隧道剛度較大，且離基坑較遠(yuǎn)，其變形變化也不大?；涌拷@兩處可采用較大的分段長度。

盾構(gòu)隧道與出入口處結(jié)構(gòu)的最大水平位移與基坑開挖分段關(guān)系較大。隨著分段變長，地鐵結(jié)構(gòu)變形發(fā)生較大增加。

由以上結(jié)果可知，在西安黃土地層，地鐵車站主體及礦山法隧道周邊基坑分段開挖長度可以取45 m～60 m；而靠近地鐵出入口及盾構(gòu)隧道處的基坑分段長度不宜超過30 m。

3.2 中心島預(yù)留土臺(tái)研究

本工程最南側(cè)基坑C與地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)最小凈距約1.7 m，與盾構(gòu)隧道最小凈距約9.2 m，擬在靠近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)預(yù)留反壓土體，中心島地下室施工完成后，反壓土體區(qū)域自上而下開挖，采用混凝土支撐與鋼支撐混合的支撐體系。國內(nèi)已有很多類似工程，對(duì)周邊建筑構(gòu)筑物保護(hù)效果較好，也形成了一定的成果[14]。但是關(guān)于黃土地區(qū)中心島預(yù)留土臺(tái)寬度的研究較少。

利用二維有限元軟件PLAXIS 2D，研究預(yù)留土臺(tái)底部寬度分別為27 m、38 m、48 m，即約為基坑深度1.5倍、2.0倍、2.5倍時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移的變化情況。

首先得出不同寬度預(yù)留土臺(tái)，地鐵出入口的變形情況，見圖6～圖11。

圖6 預(yù)留土臺(tái)寬27 m地鐵出入口變形

圖7 預(yù)留土臺(tái)寬38 m地鐵出入口變形

圖8 預(yù)留土臺(tái)寬48 m地鐵出入口變形

當(dāng)預(yù)留土臺(tái)的寬度從27 m、38 m變至48 m時(shí)，地鐵出入口的最大變形從6.33 mm、2.99 mm最終減少至1.16 mm。

圖9 預(yù)留土臺(tái)寬27 m盾構(gòu)隧道變形

圖10 預(yù)留土臺(tái)寬38 m盾構(gòu)隧道變形

圖11 預(yù)留土臺(tái)寬48 m盾構(gòu)隧道變形

由圖9～圖11可知，靠近盾構(gòu)隧道一側(cè)，當(dāng)預(yù)留土臺(tái)的寬度從27 m(1.5倍)、38 m(2.0倍)變至48 m(2.5倍)時(shí)，地鐵出入口的最大變形從3.25 mm、1.66 mm最終減少至0.97 mm，結(jié)果如表2所示。

表2 不同土臺(tái)寬度下地鐵結(jié)構(gòu)變形匯總

土臺(tái)寬度較大，對(duì)控制鄰近地鐵的變形有利，但是影響整個(gè)項(xiàng)目工期籌劃。由結(jié)算結(jié)果可知，黃土地層當(dāng)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)在基坑外1倍地鐵寬度(直徑)范圍內(nèi)時(shí)，土臺(tái)底部預(yù)留寬度取1.5倍基坑深度為宜；當(dāng)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)在基坑外1倍地鐵寬度(直徑)范圍外時(shí)，土臺(tái)底部預(yù)留寬度取1倍基坑深度即可。

3.3 基坑A錨索參數(shù)研究

本工程最北側(cè)基坑A，與地鐵礦山法隧道最小凈距約21.4 m，若采用普通錨索，為了控制基坑變形，錨固段與地鐵結(jié)構(gòu)距離過近，將危及其安全。而類似工程經(jīng)驗(yàn)可知，高壓旋噴錨索相比普通錨索提高了抗拔力及抗變形性能[15-16]。

相同幾何參數(shù)下，分別計(jì)算采用孔徑300 mm的自進(jìn)式旋噴錨索及孔徑150 mm普通錨索的支護(hù)體系，得出基坑開挖到底后的水平位移云圖，見圖12。

圖12 旋噴錨索、普通錨索水平變形對(duì)比

由上述計(jì)算結(jié)果可知，采用普通錨索，基坑最大位水平移約24.09 mm，而采用高壓旋噴錨索后，基坑最大水平位移為15.91 mm，進(jìn)而控制地鐵礦山法隧道最大位移為4.58 mm。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 基坑開挖到底水平位移云圖

將基坑開挖到底后，各不利位置的水平變形云圖整理見圖13、圖14。

圖13 礦山法隧道、盾構(gòu)隧道處水平位移云圖

圖14 地鐵出入口、車站主體處水平位移云圖

4.2 鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形

將地鐵結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行提取見圖15、圖16。

圖15 礦山法隧道、盾構(gòu)隧道最大變形

圖16 地鐵出入口、車站主體最大變形

4.3 結(jié)果分析

通過數(shù)值分析可得到以下結(jié)論：

(1) 基坑A采用旋噴錨索支護(hù)體系，基坑開挖到底后，支護(hù)樁最大水平位移約15.91 mm，最大水平位移大致發(fā)生在樁頂處。

(2) 基坑C采用中心島+內(nèi)支撐體系，基坑開挖到底后，支護(hù)樁最大水平位移約11.4 mm～13.4 mm，最大水平位移大約發(fā)生在樁頂下1/3基坑深度處。

(3) 地鐵車站主體最大位移約3.48 mm，礦山法隧道最大位移約4.58 mm，盾構(gòu)隧道最大位移約7.60 mm，地鐵出入口最大位移約9.51 mm。地鐵變形以水平變形為主，豎向位移很小。

(4) 地鐵結(jié)構(gòu)的最大變形均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

5 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本基坑部分區(qū)段已開挖到底，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，利用施工過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，和鄰近的計(jì)算斷面結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑A段，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移18.47 mm，礦山法隧道最大水平位移2.46 mm；基坑C段，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移12.28 mm，地鐵出入口最大水平位移5.46 mm。地鐵結(jié)構(gòu)的變形滿足相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)其正常運(yùn)營未造成影響。

對(duì)比第4節(jié)分析結(jié)果，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢(shì)基本一致，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移差別不大，地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果較數(shù)值模擬結(jié)果小，但在合理的范圍中。證明數(shù)值計(jì)算采用的土體本構(gòu)模型適合本項(xiàng)目地層，土體參數(shù)基本準(zhǔn)確，支護(hù)及土方開挖方案合理可行，可為西安黃土地區(qū)類似工程提供參考及借鑒。

6 結(jié) 論

(1) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢(shì)基本一致，數(shù)值計(jì)算采用的PLAXIS硬化土體本構(gòu)模型適合本項(xiàng)目地層，土體參數(shù)基本準(zhǔn)確，可為西安黃土地區(qū)類似工程提供參考。

(2) 將一個(gè)長大基坑分為多段、多層開挖，及時(shí)支護(hù)，能夠有效地控制周邊地層的變形。由計(jì)算結(jié)果可知，黃土地區(qū)地鐵車站主體及礦山法隧道周邊基坑分段開挖長度可以取45 m～60 m；而靠近地鐵出入口及盾構(gòu)隧道處的基坑分段長度不宜超過30 m。

(3) 在黃土地層，當(dāng)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)在基坑外1倍地鐵寬度(直徑)范圍內(nèi)時(shí)，土臺(tái)底部預(yù)留寬度取1.5倍基坑深度為宜；當(dāng)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)在基坑外1倍地鐵寬度(直徑)范圍外時(shí)，土臺(tái)底部預(yù)留寬度取1倍基坑深度即可。

(4) 計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，自進(jìn)式錨索相比普通錨索提高了抗拔力及抗變形性能。

(5) 地鐵結(jié)構(gòu)的最大變形滿足相關(guān)規(guī)范要求，地鐵結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營未受到影響，證明本工程采用的支護(hù)及土方開挖方案合理可行，可對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考及借鑒。

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Numerical Simulation and Analysis of Subway Structure Safety Influenced by Excavation of Super Long and Large Foundation

DING Yi, XING Yanru

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

In order to analyze the influences of super-long and large excavation on the adjacent subway structure, this paper took the foundation pit surrounding the Xi'an metro line 2 as an engineering example, a numerical model was developed to carry out the dynamic simulation and safety evaluation of the subway structure during the construction process. The simulation results and monitoring data show that PLAXIS software can effectively simulate the excavation of soil in the process of deformation, the piecewised excavation method which divide the whole project into small pieces and adopt the support scheme of center island method which use surrounding soil table to resistance pressure at the same time, plus use of rotary spray anchor cable, have an effective effects on the deformation of metro structure control caused by the excavation of foundation pit.

super long large foundation pit; center island method; rotary spray anchor cable; numerical analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.033

2016-12-07

2017-01-10

丁 毅(1984—)，男，甘肅蘭州人，碩士，工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。E-mail: creep0506@163.com

邢艷如(1987—)，女，河南濮陽人，碩士，工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:348062218@qq.com

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1672—1144(2017)02—0170—06